KR20110007122A

KR20110007122A - 광학 통신 방법 및 광학 버스 시스템

Info

Publication number: KR20110007122A
Application number: KR1020107022611A
Authority: KR
Inventors: 정 호 안; 모레이 맥클래렌; 알랜 엘 데이비스
Original assignee: 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2011-01-21
Also published as: BRPI0821182A2; EP2260594A1; US8472802B2; EP2260594B1; CN102027697A; EP2260594A4; WO2009113975A1; JP2011518462A; US20110020009A1; KR101388801B1; JP5160654B2; CN102027697B

Abstract

본 발명의 각종 실시예는 소스로부터 복수의 수신 장치에 광학 데이터 신호를 송신하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 하나의 방법 실시예에서, 광학 가능 신호는 소스로부터 복수의 수신 장치에 송신된다. 타겟 수신 장치는 하나 이상의 광학 데이터 신호를 수신하도록 준비함으로써 광학 가능 신호를 수신하는 것에 응답한다. 소스는 타겟 수신 장치에 의해 수신될 충분한 광학 전력만으로 타겟 수신 장치에 하나 이상의 광학 데이터 신호를 송신한다. 나머지 수신 장치는 하나 이상의 광학 데이터 신호를 수신하지 않는다.

Description

광학 통신 방법 및 광학 버스 시스템{TWO-PHASE OPTICAL COMMUNICATION METHODS AND OPTICAL BUS SYSTEMS FOR IMPLEMENTING THE SAME}

본 발명의 실시예는 광전자에 관한 것으로서, 특히, 광학 통신 방법 및 광학 버스 시스템에 관한 것이다.

프로세서 메모리 시스템에서, 단일의 메모리 제어기는 전형적으로 다수의 메모리 모듈로 및 다수의 메모리 모듈로부터의 데이터 전송을 제어한다. 기록 트랜잭션에서, 제어 및 어드레스 정보는 메모리 모듈 내의 어느 위치가 기록될 실제의 데이터가 후속되거나 수반되는 메모리 모듈에 대해 기록되고 전송될지를 지정한다. 한편, 판독 트랜잭션은 2개의 서브트랜잭션으로 분할될 수 있다. 제 1 서브트랜잭션에서, 제어 및 어드레스 정보는 메모리 제어기로부터 메모리 모듈로 전송된다. 제 2 서브트랜잭션에서, 판독 데이터는 이후 어드레싱된 메모리 모듈로부터 메모리 제어기에 반환된다. 용어 "트랜잭션"은 특정의 동작을 수행하도록 다른 장치를 요청하는 하나의 장치를 지칭한다. 제어, 어드레스 및 데이터는 유선을 통해 송신되는 전기 신호로 인코딩된다. 그러나, 회로 기판 상에서의 거의 모든 장거리 유선 통신에서 상기 기술된 트랜잭션과 연관된 통상적인 문제점은 전기 신호의 무결성을 유지하는 것이다. 전기 신호 상에서의 전형적인 유선 기반형 전송 매체에 의해 부여된 왜곡은 전기 신호의 무결성을 충분히 감소시킬 수 있어 전기 신호가 목적지 장치에서 잘못 해석된다.

집적 회로의 피쳐 크기가 축소로 처리됨에 따라, 전기 신호 무결성 문제가 심각해진다. 또한, 전기 신호 무결성 문제는 높은 데이터 전송 레이트 및 메모리 용량을 달성하기 위한 시도를 심각하게 저해한다. 전기 신호 무결성은 증대된 시그널링 속도 및 증대된 신호 팬 아웃(fan-out)과 같은 증대된 수의 수신기에 의해 저하한다. 메모리 용량을 증대시키기 위해, 예를 들어, 개별적인 메모리 모듈의 저장 용량을 증대시키거나 또는 각각의 메모리 제어기에 부착된 메모리 모듈의 수를 증대시킬 수 있다. 메모리 모듈의 수를 증대시키는 것은 전기 신호 무결성을 절충하는 팬 아웃을 증대시킨다. 개별적인 메모리 모듈의 저장 용량을 증대시키는 것은 랭크나, 뱅크의 수, 또는 개별적인 메모리 어레이의 크기를 증대시킴으로써 성취될 수 있다. 그러나, 이들 모든 선택은 증대된 전력 소모, 증대된 관리 오버헤드, 및 증대된 액세스 레이턴시와 같은 새로운 많은 문제를 초래한다. 광학 신호가 전기 신호보다 긴 거리를 통해 현저하게 적은 손실 및 왜곡의 영향을 받으므로 광학 버스는 전기 버스에 대한 매력적인 대안이 될 수 있다.

도 1은 광학 신호(106-110)를 이용하여 메모리 제어기(101)로부터 4개의 메모리 모듈(102-105) 중 하나로 정보를 송신하는 전형적인 광학 버스 시스템(100)의 개략적인 도면이다. 광학 신호(106-110)는 자유 공간, 또는 광 섬유와 같은 도파관으로 송신될 수 있다. 특히, 메모리 제어기(101)는 광학 클록 신호(106)와, 광학 어드레스, 제어 및 데이터 신호(107-110)를 생성한다. 부분적으로 반사형 미러는 광학 신호(106-110)의 일부분을 메모리 모듈(102-105)에 전기적으로 결합되는 대응하는 광전자 변환기로 전환한다. 예를 들어, 5개의 광전자 변환기(111-115)는 메모리 모듈(103)에 전자적으로 결합되고, 부분적으로 반사형 미러(121-125)는 광학 신호(106-110)의 각각의 일부분을 대응하는 광전자 변환기(111-115)로 변환한다. 광전자 변환기의 각각은 전환된 광학 신호를 광학 신호와 동일한 정보를 인코딩하는 전자 신호로 변환한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 메모리 모듈 중 단지 하나가 트랜잭션의 타겟이더라도, 트랜잭션은 동일한 광학 신호(106-110)를 모든 메모리 모듈(102-105)에 브로드캐스팅하는 것을 포함한다. 광학 전력이 단지 광학 도파관의 길이에 의해 약간 증가한다 하더라도, 광학 신호를 모든 메모리 모듈에 브로드캐스팅하는데 요구된 광학 전력은 메모리 모듈의 수에 직접 비례한다. 즉, 메모리 제어기(101)는 광학 신호가 모든 메모리 모듈(102-105)에 의해 수신될 수 있도록 충분한 광학 전력을 생성해야 한다. 메모리 모듈 중 단지 하나가 트랜잭션의 타겟이 되는 트랜잭션 당 모든 메모리 모듈(102-105)에 제어, 어드레스 및 데이터를 브로드캐스팅하는 것은 광학 트랜스포트 매체의 비효율적인 사용이다.

엔지니어 및 컴퓨터 과학자들은 송신 장치와 수신 장치 사이의 광학 신호로 인코딩된 데이터를 송신하는데 필요한 광학 전력의 양을 감소시킬 수 있는 방법 및 시스템에 대한 필요성을 인지하여 왔다.

도 1은 메모리 제어기로부터 4개의 메모리 모듈로 광학 신호를 브로드캐스팅하는 광학 버스 시스템의 개략적인 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 1 광학 버스 시스템의 개략적인 도면이며,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 도 2에 도시된 제 1 광학 버스 시스템의 도파관 상에 송신된 광학 가능 신호를 도시하고,
도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 도 2에 도시된 제 1 광학 버스 시스템의 4개의 도파관 상에 송신된 광학 데이터 신호를 도시하며,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제 1의 2 단계 방법의 다수의 단계를 나타내는 제어 흐름도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 2 광학 버스 시스템의 개략적인 도면이며,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광학 가능 신호 및 광학 데이터 신호에 대한 광학 전력 대 시간의 예시적인 플롯을 도시하고,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 3 광학 버스 시스템의 개략적인 도면이며,
도 8a는 본 발명의 실시예에 따라 도 7에 도시된 제 3 광학 버스 시스템의 도파관 상에 송신된 광학 가능 신호를 도시하고,
도 8b는 본 발명의 실시예에 따라 도 7에 도시된 제 3 광학 버스 시스템의 4개의 도파관 상에 송신된 광학 데이터 신호를 도시하며,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 제 2의 2 단계 방법의 다수의 단계를 나타내는 제어 흐름도이고,
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 4 광학 버스 시스템의 개략적인 도면이며,
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 도 7에 도시된 광학 버스 시스템의 확대된 아이소메트릭 뷰 및 개략적인 표시를 도시하고,
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 마이크로링 공진기 및 인접 리지 도파관의 일부분의 아이소메트릭 뷰를 도시하며,
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 p-i-n 접합으로서 구성된 마이크로링 공진기의 평면도 및 개략적인 표시를 도시하고,
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 광자 결정 도파관, 공진 캐비티 및 광전자 장치의 일부분의 평면도이며,
도 15(a)는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 공진 캐비티를 도시하고,
도 15(b)는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 1 전자적으로 작동된 공진 캐비티의 단면도이며,
도 15(c)는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 2 전자적으로 작동된 공진 캐비티의 단면도이다.

본 발명의 각종 실시예는 소스로부터 복수의 수신 장치에 광학 데이터 신호를 송신하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 시스템 및 방법의 실시예는 소스, 4개의 수신 장치 및 5개 또는 6개의 도파관을 참조하여 기술되지만, 본 발명의 실시예는 이와 같이 제한되지 않는다. 다른 실시예에서, 임의의 수의 수신 장치 및 도파관이 사용될 수 있다. 이하 기술된 시스템의 실시예에서, 소스 및 수신 장치는 다수의 상이한 종류의 연산, 네트워크 및 데이터 저장 장치를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 수신 장치는 듀얼 인라인 메모리 모듈(dual in-line memory module : DIMM)을 나타낼 수 있고, 소스는 DIMM으로 및 DIMM으로부터 송신된 데이터의 흐름을 관리하는 메모리 제어기를 나타낼 수 있다. 또 다른 시스템의 실시예에서, 소스는 외부 저장 장치를 나타낼 수 있고, 수신 장치는 인클로저(emclosure) 또는 샤시(chassis)에 탑재된 4개의 블레이드 서버를 나타낼 수 있거나 또는 이들은 그 각각이 다수의 블레이드 서버를 포함하는 4개의 샤시를 나타낼 수 있다. 한편, 본 발명의 방법의 실시예는 광학 인터페이스가 단일의 전송기 소스 및 다수의 수신 장치 트랜잭션에 대해 사용되는 임의의 상황에 적용될 수 있다. 또한, 방법의 실시예는 임의의 시점에서 사용된 다수의 활성 수신 장치의 수를 감소시킴으로써 통상적인 방법보다 적은 전력을 소모한다. 이것은 트랜잭션을 2개의 단계로 분할함으로써 달성될 수 있다. 제 1 단계에서, 수신 장치 중 적어도 하나는 어느 수신 장치가 트랜잭션의 타겟인지를 지정하는 소량의 제어 정보를 수신한다. 제 2 단계에서, 단지 타겟 수신 장치가 데이터를 실제로 수신한다. 특정의 방법의 실시예에서, 요구된 광학 장치는 트랜잭션의 제 1 단계에 대해서만 수신 장치의 수에 의존한다. 제 2 단계에서, 데이터의 보다 많은 비트는 제 1 단계에서보다 많게 송신될 수 있고, 제 2 단계에서 단지 타겟 수신 장치가 데이터를 실제로 수신하므로, 총 트랜잭션 전력은 통상적인 브로드캐스팅 방법 및 시스템에 비해 현저하게 감소될 수 있다.

후술하는 설명에서, 용어 "광학적" 및 "광학적으로"는 전자기 스펙트럼의 단지 가시 영역에만 국한되지 않는 파장을 갖는 계층적 및/또는 양자화된 전자기 조사선(electromagnetic radiation : EMR)으로 동작하는 장치를 지칭한다. 또한, 동일한 재료를 포함하는 다수의 구조적으로 유사한 구성요소에는 동일한 참조 부호가 제공되고, 간략화를 위해, 이들의 구조 및 기능의 설명은 반복되지 않는다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 소스(202)로부터 4개의 수신 장치(204-207)에 광학 신호를 송신하도록 구성된 제 1 광학 버스 시스템(200)의 개략적인 도면이다. 광학 버스 시스템(200)은 6개의 개별적인 도파관(211-216)을 포함하며, 이들의 각각은 한 단부에서 소스(202)에 광학적으로 결합된다. 소스(202)는 각각의 도파관(211-216) 상에 광학 신호를 출력한다. 특정의 파장 λ의 광학 신호는 "채널"이라 불리운다. 도파관(211-216)은 광 섬유, 리지 도파관 또는 광자 결정 도파관일 수 있으며, 이는 도 11 내지 도 15를 참조하여 이하 보다 상세하게 기술된다. 광학 버스 시스템(200)은 광전자 변환기(218)와 같은 24개의 광전자 변환기를 포함한다. 24개의 광전자 변환기는 각각의 광전자 변환기가 6개의 도파관(211-216) 중 하나와 광학적으로 통신하고 4개의 수신 장치(204-207) 중 하나와 전자적으로 통신하도록 배치되고 구성된다. 예를 들어, 광전자 변환기(218)는 도파관(211)과 광학적으로 통신하고 수신 장치(205)와 전자적으로 통신한다. 광전자 변환기는 p-n 접함 또는 p-i-n 접함 포토다이오드와 같은 포토다이오드, 또는 임의의 다른 적절한 광학 신호 대 전기 신호 변환기일 수 있다. 광학 버스 시스템(200)은 도파관(211 및 212)을 따라 송신된 광학 신호의 일부분을 대응하는 광전자 변환기로 전환하는 부분적으로 반사성 미러를 포함한다. 예를 들어, 부분적으로 반사성 미러(220)는 도파관(211)에 광학적으로 결합되고 도파관(211)을 따라 송신된 광학 신호의 적어도 일부분을 광전자 변환기(218)로 전환하도록 구성되고 배치된다.

광학 버스 시스템(200)은 도파관(213-216)으로부터의 광학 신호를 대응하는 광전자 변환기에 선택적으로 결합하도록 대응하는 수신 장치에 의해 전자적으로 제어될 수 있는 공진기를 또한 포함한다. 공진기는 적절한 전압이 인가될 때 특정의 채널과의 공진을 갖도록 구성될 수 있다. 따라서, 도파관(213-216)을 따라 송신된 광학 신호의 큰 부분은 도파관(213-216)으로부터 공진기 및 대응하는 광전자 변환기로 소멸파 결합(evanescently couple)될 수 있다. 예를 들어, 공진기(221-224)는 도파관(213-216)에 각각 광학적으로 결합된다. 공진기(221-224)는 수신 장치(205)에 의해 공진기(221-224)에 적절한 전압이 인가될 때, 공진기(221-224)의 각각의 공진은 광학적으로 결합된 도파관(213-216)을 따라 각각 송신된 광학 신호의 특정의 채널과의 공진으로 시프트되도록 각각 구성될 수 있다. 이 경우에, 공진기(221-224)는 턴 "온"된다. 따라서, 도파관(213-216)을 따라 송신된 광학 신호는 공진기(221-224)에 소멸파 결합되고 이후 광전자 변환기(226-220)에 각각 소멸파 결합된다. 한편, 공진기(221-224)는 전압이 공진기(221-224)에 인가될 때 도파관(213-216)을 따라 송신된 광학 신호의 채널과의 공진을 갖지 않도록 구성될 수 있다. 이 경우에, 공진기(221-224)는 턴 "오프"된다. 따라서, 광학 신호는 도파관(213-216)을 따라 교란되지 않은 상태로 송신되고 공진기(221-224)를 지나간다. 공진기는 도 12 내지 도 15를 참조하여 이하 기술된 마이크로링 공진기 또는 광자 결정 공진기 캐비티와 같은 광학 버스 시스템(200)의 2개의 가능한 출력 도파관 경로들 사이에서 광을 선택적으로 스위칭할 수 있는 임의의 적절한 장치일 수 있다.

소스(202)는 도파관(211) 상에서 수신 장치(204-207)에 브로드캐스팅되는 광학 클록 신호 λ_CLK(230)를 생성하도록 변조되지 않은 광학 신호를 변조할 수 있다. 광학 클록 신호 λ_CLK(230)는 변조된 진폭, 주파수, 또는 위상일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 부분적으로 반사성 미러는 대응하는 광전자 변환기를 향해 광학 클록 신호 λ_CLK(230)의 일부분을 전환한다. 광학 클록 신호 λ_CLK(230)의 강도는 각각의 부분적으로 반사성 미러 이후에 좁아지는 라인에 의해 도 2에 표시된 바와 같이 각각의 부분적으로 반사성 미러를 통과함에 따라 감소된다. 각각의 광전자 변환기에 의해 수신된 광학 클록 신호 λ_CLK(230)의 일부분은 전자적으로 결합된 수신 장치에 송신되는 전자 클록 신호로 변환된다. 전기 클록 신호는 그들의 동작을 소스(202)와 도시되지 않은 다른 전기 장치와 동기화하도록 수신 장치(204-207)에 의해 채용된다.

소스와 타겟 수신 장치 사이의 트랜잭션을 완료하는 제 1 방법은 광학 버스 시스템(200)을 이용하여 도 3 및 도 4를 참조하여 기술되는 2 단계로 달성될 수 있다. 임의의 트랜잭션이 발생하기 이전에, 각각의 수신 장치에는 상이한 어드레스가 할당된다. 소스(202)는 수신 장치(204-207) 중 어느 것이 타겟 수신 장치인지를 선택하거나, 또는 도시되지 않은 상이한 장치에 의해 선택하도록 지시될 수 있다. 후술하는 설명을 위해 수신 장치(205)는 타겟 수신 장치로서 초기에 선택된 것으로 가정된다.

도 3a에 도시된 제 1 단계에서, 소스(202)는 도파관(212) 상의 모든 수신 장치(204-207)에 광학 가능 신호 λ_EN1(232)를 브로드캐스팅한다. 소스(202)는 데이터를 수신하도록 수신 장치(205)에 지시하는 광학 가능 신호 λ_EN1(232)로 정보를 인코딩한다. 도파관(212)에 결합된 각각의 부분적으로 반사성 미러는 광학 가능 신호 λ_EN1(232)의 일부분을 대응하는 광전자 변환기로 전환함으로써 광학 가능 신호 λ_EN1(232)의 강도를 감소시킨다. 각각의 광전자 변환기는 광학 가능 신호 λ_EN1(232)를 전기적으로 결합된 수신 장치에 송신되는 전기 가능 신호로 변환한다. 광학 가능 신호 λ_EN1(232)는 수신 장치(205)에 대해 특정한 정보를 인코딩하므로, 수신 장치(205)만이 그 연관된 공진기(221-224)를 턴 "온"함으로써 응답한다. 나머지 수신 장치(204, 206 및 207)는 그 연관된 공진기를 턴 "오프"로 유지된다. 이 제 1 단계에서, 광학 가능 신호 λ_EN1(232)의 광학 전력은 광학 가능 신호 λ_EN1(232)의 일부분이 각각의 부분적으로 반사성 미러에 의해 전환되고 각각의 대응하는 광전자 변환기에 의해 검출될 수 있도록 충분히 클 필요가 있다.

도 3b에 도시된 제 2 단계에서, 소스(202)는 광학 가능 신호 λ_EN1을 송신하는 것을 중단하고 4개의 광학 데이터 신호 λ₀, λ₁, λ₂ 및 λ₃을 도파관(213-216) 상에 각각 배치한다. 공진기(221-224)가 단지 턴 "온"된 공진기이므로, 광학 데이터 신호 λ₀, λ₁, λ₂ 및 λ₃은 도파관(213-216) 상에서 교란되지 않은 상태로 공진기(221-224)를 통과하는 한편, 광학 데이터 신호 λ₀, λ₁, λ₂ 및 λ₃의 큰 부분은 도파관(213-216)으로부터 광전자 변환기(226-229)로 공진기(221-224)를 통해 각각 소멸파 결합된다. 광학 데이터 신호 λ₀, λ₁, λ₂ 및 λ₃은 나머지 수신 장치(204, 206 및 207)로 브로드캐스팅되지 않으므로, 광학 데이터 신호 λ₀, λ₁, λ₂ 및 λ₃은 수신 장치(205)에 의해 수신될 충분한 광학 전력만으로 생성된다.

제 1 방법의 다른 실시예에서, 광학 가능 신호가 개별적인 도파관()212 상에 송신되므로, 소스(202)는 도파관(213-216) 상에서 수신 장치에 광학 데이터를 동시에 송신할 수 있고 광학 데이터 신호의 다음 라운드에 대해 상이한 수신 장치를 준비하도록 도파관(212) 상의 광학 가능 신호를 상이한 수신 장치에 송신할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 광학 가능 신호 λ_EN1은 수신 장치(207)의 공진기를 활성하도록 전송되는 한편 광학 데이터 신호 λ₀, λ₁, λ₂ 및 λ₃은 공진기(221-224)에 의해 도파관(213-216)으로부터 대응하는 광전자 변환기로 소멸파 결합된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 도 3을 참조하여 상기 기술된 2 단계 방법의 다수의 단계를 나타내는 제어 흐름도이다. 단계(401)에서, 소스는 데이터를 수신하도록 타겟 수신 장치를 지시하는 광학 가능 신호로 정보를 인코딩하고 광학 가능 신호를 도파관을 통해 모든 수신 장치에 브로드캐스팅한다. 단계(402)에서, 모든 수신 장치는 광학 가능 신호의 일부분을 전환한다. 단계(403)에서, 광학 가능 신호가 데이터를 수신하도록 타겟 수신 장치만을 지시하는 정보를 포함하므로, 타겟 수신 장치만이 소스로부터 데이터를 수신하는 공진기를 턴 "온"함으로써 응답하는 한편 나머지 수신 장치는 그들의 공진기를 턴 "오프"함으로써 응답한다. 단계(404)에서, 소스는 타겟 수신 장치에 의해 추출될 충분한 광학 전력만으로 다수의 도파관을 통해 광학 신호로 데이터를 송신한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 도파관(211 및 212)으로부터 광학 클록 및 어드레스 신호를 전환하는 부분적으로 반사성 미러가 공진기로 대체될 수 있다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 소스(202)로부터 수신 장치(204-207)에 광학 신호를 송신하도록 구성된 제 2 광학 버스 시스템(500)의 개략적인 도면이다. 광학 버스 시스템(500)은 광학 버스 시스템(200)의 도파관(211 및 212)에 광학적으로 결합되는 부분적으로 반사성 미러가 도파관(211 및 212)을 따라 송신된 광학 신호의 일부분을 대응하는 광전자 변환기에 소멸파 결합하도록 구성되는 공진기로 대체된 것을 제외하고 광학 버스 시스템(200)과 거의 동일하다. 예를 들어, 공진기(501-504)는 광학 클록 신호 λ_CLK(230)의 채널과의 공진을 갖고 도파관(211)으로부터 광학 클록 신호 λ_CLK(230)을 소멸파 결합하도록 구성되고, 공진기(505-508)는 광학 가능 신호 λ_ENx(510)의 채널과의 공진을 갖고 도파관(212)으로부터 광학 가능 신호 λ_ENx(510)에 소멸파 결합하도록 구성되며, 여기서 x는 0, 1, 2 또는 3이다. 도파관(213-216)으로 송신된 광학 신호와 소멸파 결합하도록 사용된 전자적으로 동작 가능한 공진기와 달리, 공진기(501-508)는 전자적으로 동작 가능하게 될 필요는 없다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 광학 가능 신호 및 광학 데이터 신호에 대한 광학 전력 대 시간의 예시적인 플롯(600)을 도시한다. 수평 라인(602)은 시간 축을 나타내고, 수직 라인(604)은 광학 전력 축을 나타낸다. 광학 데이터 신호의 광학 전력은 라인(606)에 의해 표시되고, 광학 가능 신호의 광학 전력은 라인(608)에 의해 표시된다. 플롯(600)은 광학 데이터 신호가 단지 하나의 수신 장치에 도달할 필요가 있고, 광학 가능 신호 λ_ENx가 모든 수신 장치에 브로드캐스팅되므로, 광학 데이터 신호를 송신하도록 요구된 광학 전력(606)은 광학 가능 신호 λ_ENx를 모든 수신 장치에 브로드캐스팅하도록 요구된 광학 전력(608)보다 현저하게 적을 수 있다. 또한, 광학 가능 신호 λ_ENx가 수신 장치의 어드레스만을 인코딩하고 실질적으로 다른 정보를 인코딩하지 않으므로, 광학 가능 신호의 지속 기간(610)은 광학 데이터 신호의 지속 기간(612)보다 상당히 적을 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 소스(702)로부터 수신 장치(704-707)에 광학 신호를 송신하도록 구성된 제 3 광학 버스 시스템(700)의 개략적인 도면이다. 광학 버스 시스템(700)은 가능 도파관(212) 및 광학 버스 시스템(200)에 포함된 부분적으로 반사성 미러와 광전자 변환기가 광학 버스 시스템(700)에 포함되지 않는 것을 제외하고 광학 버스 시스템(200)과 거의 동일하다. 광학 버스 시스템(700)은 5개의 개별적인 도파관(711-715)을 포함하고, 이들의 각각은 소스(702)의 한 단부에서 광학적으로 결합된다. 소스(702)는 각각의 도파관(711-715) 상에서 광학 신호를 출력한다. 도파관(711-715)은 광 섬유, 리지 도파관 또는 광자 결정 도파관일 수 있으며, 이는 도 11 내지 도 15를 참조하여 이하 보다 상세하게 기술된다. 광학 버스 시스템(700)은 각각의 광전자 변환기가 5개의 도파관(711-715) 중 하나와 광학적으로 통신하고 4개의 수신 장치(704-707) 중 하나와 전자적으로 통신하도록 배치되고 구성되는 20개의 광전자 변환기를 포함한다. 광전자 변환기는 p-n 접함 또는 p-i-n 접함 포토다이오드와 같은 포토다이오드, 또는 임의의 다른 적절한 광학 신호 대 전기 신호 변환기일 수 있다. 광학 버스 시스템(700)은 도 2를 참조하여 앞서 기술된 바와 같이 도파관(711)을 따라 송신된 광학 클록 신호 λ_CLK(718)의 일부분을 대응하는 광전자 변환기로 전환하는 부분적으로 반사성 미러를 포함한다. 광학 버스 시스템(700)은 도 2를 참조하여 앞서 기술된 바와 같이, 도파관(712-715)으로부터의 광학 신호를 대응하는 광전자 변환기로 선택적으로 결합하도록 구성되고 동작될 수 있는 전자적으로 제어된 공진기를 또한 포함한다.

소스와 타겟 수신 장치 사이의 트랜잭션을 완료하는 제 2 방법은 광학 버스 시스템(700)을 이용하여 도 8 및 도 9를 참조하여 2 단계로 기술된다. 소스(702)는 수신 장치(704-707) 중 어느 것이 송신에 사용되는지를 선택하거나, 또는 도시되지 않은 상이한 장치에 의해 선택하도록 지시될 수 있다.

제 2 방법의 실시예의 제 1 단계에서, 수신 장치(704-707)의 각각은 상이한 도파관에 광학적으로 결합되는 하나의 공진기를 턴 "온"하고 소스(702)로부터 출력될 광학 가능 신호 λ_EN를 대기한다. 예를 들어, 도 8a에 도시된 일 실시예에서, 수신 장치(704-707)는 공진기(720-723)를 각각 턴 온하고, 각각의 수신 장치는 광학 가능 신호 λ_EN를 송신하도록 소스(702)를 대기한다. 현재의 예에서, 수신 장치(705)가 초기에 트랜잭션을 위한 타겟 수신 장치로서 선택된 것으로 가정한다. 소스(702)는 공진기(721) 및 광전자 변환기(726)에 소멸파 결합되는 도파관(713) 상에서 광학 가능 신호 λ_EN(724)를 출력한다. 이 방법의 실시예에서, 광학 가능 신호 λ_EN(724)는 수신 장치(704-707)가 광학 가능 신호 λ_EN를 대기하도록 설정되는 시간 구간 동안 전송된다. 특정의 실시예에서, 광학 가능 신호 λ_EN는 타겟 수신 장치의 어드레스로 인코딩될 수 있다. 다른 실시예에서, 광학 가능 신호 λ_EN가 모든 수신 장치에 브로드캐스팅되지 않으므로, 어드레스의 수가 채널의 수보다 적을 때, 광학 가능 신호 λ_EN는 단순히 펄스 또는 몇몇 다른 짧은 지속 기간 광학 신호일 수 있다. 예를 들어, 광학 가능 신호 λ_EN(724)는 수신 장치(704, 706 및 707)에 브로드캐스팅되지 않고, 따라서, 수신 장치(705)에 도달하기 위해 충분한 광학 전력만으로 생성될 수 있다.

이제 도 8b를 참조하면, 제 2 방법의 실시예의 제 2 단계에서, 광학 가능 신호 λ_EN를 전송하는 시간 구간이 실질적으로 완료될 때, 비선택 수신 장치(704, 706 및 707)는 그들의 공진기(720, 722 및 723)를 각각 턴 "온"하고, 선택된 수신 장치(705)는 공진기(730-732)를 턴 "온"함으로써 광학 가능 신호 λ_EN(724)에 응답한다. 소스(702)는 4개의 광학 데이터 신호 λ₀, λ₁, λ₂ 및 λ₃을 도파관(713-716) 상으로 각각 송신한다. 공진기(721 및 730-732)가 단지 턴 "온"된 공진기이므로, 광학 데이터 신호 λ₀, λ₁, λ₂ 및 λ₃은 도파관(712-715) 상에서 교란되지 않은 상태로 공진기(720 및 736-738)를 통과하고, 광학 데이터 신호 λ₀, λ₁, λ₂ 및 λ₃의 큰 부분은 도파관(712-715)으로부터 대응하는 광전자 변환기로 공진기(726 및 730-732)를 통해 각각 소멸파 결합된다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따라 도 8을 참조하여 앞서 기술된 2 단계 방법의 다수의 단계를 나타내는 제어 흐름도이다. 단계(901)에서, 모든 수신 장치가 상이한 도파관에 광학적으로 결합되는 하나의 공진기를 턴 "온"하고 수신 장치는 타겟 시간 구간 동안 광학 가능 신호를 모두 대기한다. 단계(902)에서, 타겟 수신 장치가 턴 "온"된 공진기에 결합된 도파관 상으로 광학 가능 신호를 송신함으로써 타겟 수신 장치에 광학 가능 신호를 송신한다. 단계(903)에서, 타겟 수신 장치만이 소스로부터 데이터를 수신하는 공진기를 턴 "온"함으로써 응답하는 한편 나머지 수신 장치는 그들의 공진기를 턴 "오프"함으로써 응답한다. 단계(904)에서, 소스는 타겟 수신 장치에 의해 추출될 충분한 광학 전력만으로 다수의 도파관을 통해 타겟 수신 장치에 광학 신호로 데이터를 송신한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 도파관(711)으로부터 광학 클록 신호 λ_CLK(718)를 전환하는 부분적으로 반사성 미러가 공진기로 대체될 수 있다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 소스(702)로부터 4개의 수신 장치(704-707)에 광학 신호를 송신하도록 구성된 제 2 광학 버스 시스템(1000)의 개략적인 도면이다. 광학 버스 시스템(1000)은 광학 버스 시스템(700)의 광학적으로 반사성 미러가 광학 클록 신호 λ_CLK(718)의 채널과의 공진을 갖도록 구성된 공진기(1001-1004)로 대체된 것을 제외하고 광학 버스 시스템(700)과 거의 동일하다. 따라서, 공진기(1001-1004)는 도파관(711)으로부터 연관된 광전자 변환기에 클록 신호 λ_CLK(718)을 소멸파 결합한다. 도파관(712-715)으로 송신된 광학 신호와 소멸파 결합하도록 사용된 전자적으로 동작 가능한 공진기와 달리, 공진기(1001-1004)는 전자적으로 동작 가능하게 될 필요는 없다.

앞서 기술된 제 1 및 제 2 방법의 실시예의 특정의 변형에서, 4개의 광학 데이터 신호 λ₀, λ₁, λ₂ 및 λ₃는 4개의 변조되지 않은 광학 신호를 변조함으로써 생성될 수 있다. 광학 데이터 신호는 동일한 채널 또는 상이한 채널의 임의의 조합일 수 있다. 하나의 파장에 광학적으로 결합되는 공진기만이 턴 "온"될 때 해당 도파관을 따라 송시된 광학 데이터 신호의 채널과의 공진을 갖고 공진기가 턴 "오프"될 때 동일한 광학 데이터 신호와의 공진이 오프가 되도록 구성된다.

앞서 기술된 광학 버스 시스템(200, 500, 700 및 1000)은 적절한 재료의 임의의 슬랩(slab)으로 구현될 수 있다. 도 11은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 도 7에 도시된 광학 버스 시스템(700)의 확대된 아이소메트릭 뷰 및 개략적인 표시를 도시한다. 광학 버스 시스템(700)은 단일의 슬랩(1102) 내에 형성된다. 슬랩(1102)은 Si 또는 Ge와 같은 반도체 또는 Al, Ga 및 In와 같은 주기율표의 그룹 IIIA 원소와, N, P, As 및 Sb와 같은 주기율표의 그룹 VA 원소의 결합으로 구성될 수 있다. GaAs, AsGaAs, InGaAs 및 InGaAsP는 화합물 반도체의 예이다. 슬랩(1102)은 실리카(SiO₂) 및 실리콘 질화물(Si₃N₄)과 같은 적절한 유전체 재료로 또한 구성될 수 있다.

특정의 시스템의 실시예에서, 도 2에 도시된 도파관(211-216) 및 도 7에 도시된 도파관(711-715)은 리지 도파관일 수 있고, 공진기(221)와 같은 공진기는 마이크로링 공진기일 수 있다. 도 12는 본 발명의 실시예에 따라 기판(1206)상에 배치되고 구성된 마이크로링 공진기(1202) 및 인접 리지 도파관(1204)의 일부분의 아이소메트릭 뷰를 도시한다. 도파관(1204) 상에서의 광학 신호의 송신은 광학 신호의 채널이 마이크로링(1202)과 공진할 때 크게 감소될 수 있다. 광학 신호는 도파관(1204)으로부터 마이크로링(1202)에 소멸파 결합한다.

마이크로링 공진기(1202)를 둘러싸는 영역은 전자 도너 원자 및 전자 억셉터 원자로 도핑될 수 있고 도 3과 도 4 및 도 8과 도 9를 참조하여 앞서 기술된 바와 같이 대응하는 수신 장치에 의해 전자적으로 제어될 수 있다. 도 13은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 전자적으로 제어된 마이크로링 공진기(1302)와 리지 도파관(1304)의 평면도 및 개략적인 표시를 도시한다. 마이크로링(1302)은 도파관(1304)에 매우 근접하여 배치된다. 특정의 실시예에서, 마이크로링(1302)은 진성 반도체를 포함한다. p 타입 반도체 영역(1306)은 마이크로링(1302) 내부의 반도체 기판 내에 형성될 수 있고 n 타입 반도체 영역(1308 및 1310)은 마이크로링(1302) 외부를 둘러싸는 반도체 기판 내에 및 도파관(1304)의 대향 측면 상에 형성될 수 있다. p 타입 반도체 영역(1306)은 및 n 타입 반도체 영역(1308 및 1310)은 마이크로링(1302) 부근에서 p-i-n 접합을 형성한다. 다른 실시예에서, 마이크로링(1302) 내부의 반도체 기판 내에 n 타입 반도체 영역(1306)을 형성하고 마이크로링(1302) 외부를 둘러싸는 반도체 기판 내에 p 타입 반도체 영역(1308 및 1310)을 형성함으로써 도펀트가 반전될 수 있다.

마이크로링(1302)의 공진기는 적절한 전압 또는 전류를 영역(1306)과 영역(1308 및 1310)에 인가함으로써 전자적으로 제어될 수 있다. 마이크로링(1302)은 마이크로링(1302)의 공진기가 도파관(1304)을 따라 전파하는 광학 신호의 채널과 공지하지 않도록 구성될 수 있다. 한편, 마이크로링(1302)은 적절한 전압이 마이크로링(1302)에 인가될 때, 동일한 광학 신호가 마이크로링(1302)과 공진하고 도파관(1304)으로부터 마이크로링(1302)으로 소멸파 결합하도록 또한 구성될 수 있다. 전압이 이후 턴 "오프"될 때, 마이크로링(1302)의 공진은 역으로 시프트하고 동일한 광학 신호는 도파관(1304)을 따라 교란되지 않은 상태로 전파한다. 마이크로링 변조기의 예에 대해 Q. Xu, et al,. "12.5 Gbit/s carrier-injection-based silicon microring silicon modulators" Optics Express 15, 430 (2007)을 참조한다.

다른 시스템의 실시예에서, 도 2에 도시된 도파관(211-216) 및 도 7에 도시된 도파관(711-715)은 광자 결정 도파관일 수 있고, 공진기(221)와 같은 공진기는 공진 캐비티일 수 있다. 광자 결정은 규칙적인 패턴으로 함께 결합될 때, 전자기 조사선(EMR)의 전파 특성을 변경할 수 있는 유전체 특성으로 2 이상의 상이한 재료로 구성된 광자 장치이다. 2 차원 광자 결정은 유전체 또는 반도체 슬랩으로 제조된 원통형 홀의 규칙적인 격자로 구성될 수 있다. 원통형 홀은 에어 홀이거나 또는 광자 슬랩의 유전체 재료와 상이한 유전체 재료로 채워질 수 있다. 2 차원 광자 결정은 지정된 주파수 대역 내에서 EMR을 반사하도록 설계될 수 있다. 따라서, 2 차원 광자 결정은 광자 결정의 광자 밴드갭 내에서 주파수를 갖는 ENR의 전파를 방지하도록 주파수 대역 정지 필터로서 설계되고 제조될 수 있다. 일반적으로, 원통형 홀의 크기 및 상대 공간은 EMR의 어느 파장이 2 차원 광자 결정에서 전파하는 것을 방지하도록 제어한다. 그러나, 특정의 국소화된 구성요소를 생성하도록 원통형 홀의 격자에 결함이 도입될 수 있다. 특히, "포인트 결함"이라 또한 지칭된 공진 캐비티는 EMR의 파장의 좁은 범위를 임시적으로 트래핑하는 공진기를 제공하도록 제조될 수 있다. "라인 결함"이라 또한 지칭되는 도파관은 광자 밴드갭의 파장 점위 내에 존재하는 도파관으로 EMR을 송신하도록 제조될 수 있다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따라 슬랩(1408) 내에 형성된 광자 결정 도파관(1402), 공진 캐비티(1404) 및 광전자 장치(1406)의 일부분의 평면도이다. 원(1410)과 같은 원은 슬랩(1408)의 높이에 걸치는 홀을 나타낸다. 공진 캐비티는 선택 원통형 홀의 크기를 생략하거나, 증가시키거나, 감소시킴으로써 생성될 수 있다. 특히, 공진 캐비티(1404)는 점선 원에 의해 둘러싸인 캐비티 영역에 의해 표시된 바와 같이, 원통형 홀을 생략함으로써 생성된다. 공진 캐비티(1404) 및 도파관(1402)을 둘러싸는 홀은 도파관(1402) 및 공진 캐비티(1404) 내의 광자 결정 밴드갭의 주파수 대역에서 EMR을 일시적으로 트래핑하는 2 차원 브래그 그레이팅(BRAGG GRATING)을 형성한다. 광자 결정 도파관은 광자 결정 밴드갭의 특정의 파장 범위 내에서 광학 신호를 검출하도록 사용될 수 있는 광학 전송 경로이다. 도파관은 원통형 홀의 칼럼 또는 로우 내에서 특정의 원통형 홀의 직경을 변경하거나, 또는 원통형 홀의 로우를 생략함으로써 제조될 수 있다. 예를 들어, 도파관(1402)은 원통형 홀의 전체 로우를 생략함으로써 생성된다. 도파관을 브랜치하는 네트워크는 광자 결정을 통해 다양한 상이한 경로에서 EMR을 지시하도록 사용될 수 있다. 도파관을 따라 전파하는 전자기 신호의 직경은 λ/3n만큼 작을 수 있고, 여기서 n은 슬랩의 굴절율인 한편, 공진 캐비티의 고조파 모드 볼륨은 2λ/3n만큼 작을 수 있다.

도파관 및 공진 캐비티는 도파관 및 공진 캐비티를 바로 둘러싸는 영역 내로 EMR이 탈출하는 것을 방지함에 있어 100%보다 낮게 효과적일 수 있다. 예를 들어, 도파관을 따라 전파하는 광자 밴드캡에서 주파수 대역 내의 EMR은 또한 도파관을 둘러싸는 영역으로 확산하려는 경향이 있다. 도파관(1402) 또는 공진 캐비티(1404)를 둘러싸는 영역으로 진입하는 EMR은 소위 "에바네슨스(evanescence)"라고 하는 프로세스에서 진폭의 지수적인 쇠퇴를 경험한다. 따라서, 공진 캐비티(1404)는 도파관(1402)에 의해 전달된 EMR의 특정의 파장이 도파관(1402)으로부터 공진 캐비티(1404) 내로 소멸파 결합하도록 하기 위해 도파관(1402)의 짧은 거리 내에 위치한다. 공진 캐비티(1404)의 Q 인자에 의존하여, 추출된 EMR은 공진 캐비티(1404)에서 트래핑된 채로 유지될 수 있고 광전자 디바이스(1406) 내로 소멸파 결합하기 이전에 공진할 수 있다.

도 15(a)는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 공진 캐비티(1502) 및 슬랩(1504)의 일부분을 도시한다. 공진 캐비티(1502)는 원통형 홀을 생략함으로써 생성된다. 공진 캐비티(1502)의 직경 및 공진 캐비티(1502)를 둘러싸는 원통형 홀(1506)과 같은 원통형 홀의 패턴 및 직경은 공진 캐비티(1502) 내의 광학 신호의 특정의 채널을 임시적으로 트래핑하도록 선택될 수 있다. 슬랩(1504)은 글래스 기판(1508)의 상부에 위치한다. 도 15(a)에 도시된 바와 같이, 슬랩(1504)은 포지티브 도핑된 반도체 층(1512)과 네거티브 도핑된 반도체 층(1514) 사이에 샌드위치된 진성 층(1510)이 포함될 수 있다.

도 15(b)는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 1 전자적으로 공진 캐비티의 단면도이다. 공진 캐비티(1502)는 2개의 전극(1520 및 1522)들 사이에 샌드위치된다. 슬랩(1504)은 p-i-n 층(1510, 1512 및 1514) 또는 단일 유전체 또는 반도체 층과 같은 단일의 층으로 구성될 수 있다. 공진 캐비티(1502) 양단에 전압을 인가함으로써 공진 캐비티의 공진은 광학 신호의 채널과의 공진으로 시프트될 수 있다.

도 15(c)는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 제 2 전자적으로 공진 캐비티의 단면도이다. 공진 캐비티(1502)는 2개의 전극(1524 및 1526)들 사이에 샌드위치된다. 슬랩(1504)은 p-i-n 층(1510, 1512 및 1514) 또는 단일 유전체 또는 반도체 층과 같은 단일의 층으로 또한 구성될 수 있다. 공진 캐비티(1502) 양단에 전압을 인가함으로써 공진 캐비티의 공진은 광학 신호의 채널과의 공진으로 또한 시프트될 수 있다.

상술한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정의 명령법을 사용하였다. 그러나, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 실시하기 위해 특정의 세부 사항으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 본 발명의 특정의 실시예의 전술한 설명은 도시 및 설명을 위해 제공된다. 이들은 본 발명을 개시된 현재의 형태로 배타적으로 되도록 하거나 또는 제한하도록 의도되지 않는다. 명백하게는, 다수의 변경 및 변형이 상기 개시 내용의 관점에서 가능하다. 본 발명의 원리 및 그 실제의 적용을 가장 잘 설명하기 위해 실시예가 도시되고 기술되며, 이에 의해 고려되는 특정의 사용에 대해 적합한 바와 같이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 각종 변경으로 본 발명의 실시예 및 각종 실시예를 가장 잘 이용할 수 있도록 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허 청구 범위 및 그 균등물에 의해 정의되는 것으로 의도된다.

Claims

소스(202)로부터 복수의 수신 장치(204-207) 중 타겟 수신 장치(205)에 하나 이상의 광학 데이터 신호를 송신하는 방법으로서,
상기 복수의 수신 장치(204-207)에 광학 가능 신호(401,232)를 송신하는 단계-상기 타겟 수신 장치(205)는 상기 하나 이상의 광학 데이터 신호를 수신하도록 준비함으로써 상기 광학 가능 신호를 수신하는 것에 응답함-와,
상기 소스(202)로부터 상기 하나 이상의 광학 데이터 신호(404)를 상기 타겟 수신 장치에 송신하는 단계를 포함하되, 나머지 수신 장치가 상기 하나 이상의 광학 데이터 신호를 수신하지 않는, 송신 단계를 포함하는
방법.